低压直流高频隔离AC/DC变换器寿命评估★

2021-11-12刘国伟郭小易欧国平俞鹏飞

电子产品可靠性与环境试验 2021年5期

刘国伟，郭小易，欧国平，俞鹏飞

（1.深圳供电局有限公司，广东深圳 518048；2.华南理工大学，广东广州 510640）

0 引言

随着用户对用电安全和电能质量要求的提高，低压直流供电技术在民用建筑、市政用电和精密制造等用电场景逐步地试点应用[1-5]。其中，AC/DC变换器是联系交流配电系统与直流用电系统的重要纽带，实现交直流配用电的功率交换，其寿命对末端连续可靠用电起主导作用。

AC/DC变换器的核心组件是功率半导体和直流支撑电容器，它们的寿命受湿度、电应力和热应力等因素共同作用，以热应力的影响最大[6-7]。针对AC/DC变换器的寿命及可靠性评价已成为国内外学者的关注点：文献[8]分析比较了两种电平变换器、NPC变换器和飞跨电容式变换器的功率损耗，并简要地讨论了几种变换器的可靠性和谐波；文献[9]基于故障物理和蒙特卡洛模拟法比较了在光伏能量转换系统中常用的3种多电平变换器的IGBT模块的寿命；文献[10]提出了一种估计变换器预期寿命的模型，通过使用现场数据和供应商提供的数据作了验证；文献[11]建立了电力电子设备的可靠性模型，分析了电力电子设备对直流配电网可靠性的影响。

用于低压直流供电的高频隔离AC/DC变换器模块能实时地控制电压的幅值和相位，具有灵活调节电流及功率的优点，但其组成元件数量多、布局紧凑、散热困难，其寿命及可靠性评估研究亟待开展。这不仅有助于模块化冗余配置变换器，还有助于制定合理的功率路由策略，开展全生命周期的资产管理。然而，国内外的低压直流配用电系统集成和示范项目还很少，低压AC/DC变换器运行时间短，数据收集手段单一，导致可靠性基础数据匮乏，给寿命量化评估带来不小的难度[12-17]。

针对低压直流并网的应用场景，以元件物理失效方法为基础，提出高频隔离AC/DC变换器寿命评估方法，进一步地分析了不同元件电热应力、变换器的薄弱环节及冗余配置的可靠性影响。

1 高频隔离AC/DC变换器

高频隔离AC/DC变换器的拓扑结构如图1所示。经过VIENNA电路将交流整流为直流，然后逆变为高频交流；经过高频变压器隔离后，最后整流为直流。

图1 高频隔离AC/DC变换器拓扑

VIENNA整流器三相一共有8种不同的开关状态[18]。以A相为例，当相电流方向为正且开关处于关闭状态时，二极管D11和D1将输入连接到DC的正母线。类似地，当输入电流方向为负时，二极管D12和D1将输入连接到DC的负母线。当开关T接通时，二极管D13导通，从而将相位输入连接到直流母线中性点O。电流方向为负且开关处于导通时，D14导通。VIENNA整流器的操作取决于开关的状态，以及相输入电流的方向[19-20]，其工作原理如式（1）-（2）所示：

式（1）-（2）中：swi——i相的开关函数；

ii——i相的相电流；

Uio——相电压；

Uco1、Uco2——电容C1和C2的电压。

后级高频隔离DC/DC变换器采用移相控制，通过改变两个电平电压间的移相角实现对传输功率的控制[21-22]。U1和U2是漏感两侧的等效交流方波电压，两者之间的相位差是φ。线路上传输的有功功率表达式为（3），由此可以计算传输功率。

2 寿命评估框架

并网AC/DC变换器寿命评估采用基于失效物理理论的寿命评估方法，包括变换器电气模型、电热比拟模型、寿命解析模型和累积疲劳损伤模型，具体的寿命评估框架如图2所示。

图2 变换器各个元件的寿命评估流程

根据已知的变换器任务剖面，基于电力电子数学模型解析变换器各个元件的电气量；从元件数据手册取得相关参数，计算各个元件的功率损耗值；利用电热比拟理论，用热等效网络估算IGBT、二极管的结温和电容热点温度，从而得到IGBT、二极管和电容器的全年温度数据序列；对IGBT和二极管，用雨流计数法[23]计算热循环次数，并依据寿命模型和累积损伤模型评估寿命；针对电容器，热点温度序列可直接用于寿命模型和累积损伤模型的寿命计算；取寿命最小的器件作为变换器薄弱环节，并将其寿命作为变换器寿命。

3 元件寿命评估方法

3.1 IGBT和二极管结温

式（6）中：a，b和c——参数，从厂家数据手册特定的结温下，E-Ic静态特性曲线中拟合而获取；

Unom——测试条件下的阻断电压；

fs——IGBT开关频率。

IGBT模块总的平均功率损耗为：

相似地，二极管的总损耗Ploss，D是导通损耗Pcon，D和恢复损耗Prec，D之和。

鉴于参数获取难度，选取Foster热网络[24]电热比拟解析IGBT模块在电热应力下的温度传递。Foster模型的热等效网络如图3所示，其中包括结-壳网络（4个一阶Foster模型串联）、导热脂和散热器网络。考虑到元件损耗和结温的相互作用和影响，采用迭代法使求解的各个元件的有功损耗和结温更加精确。

图3 Foster热网络模型

此外，加载在IGBT和二极管上的热循环主要有3类：1）高频热循环；2）基频热循环；3）低频热循环。IGBT高频开关周期比热网络时间常数小得多，即Foster网络相当于低通滤波器，因此忽略高频热循环。低频热循环周期可以通过雨流计数算法获得，而基频热循环可用电热比拟理论解析并推导得到[6]。

3.2 IGBT和二极管寿命模型

比较IGBT和二极管的寿命解析模型，LESIT寿命模型综合地考量了结温波动差值ΔTj和平均结温Tjm，具有一定的普遍性和实用性，本文用其计算失效的热循环次数Nf[25]。Nf的计算如下：

式（8）中：a，b——常数；

Kb——玻尔兹曼常数（8.62×10-5eV/K）；

Ea——激活能。

基于Miner法则[26]，元件所承受的热循环损伤具有线性可叠加性。因此，全年所有热循环累积损耗的寿命CL为：

式（9）中；Nf，j——与第j个热循环对应的失效热循环次数；

Nj——第j个热循环的数量；

CL——包含了基频和低频热循环消耗的寿命。

假设变换器1年的任务剖面和环境温度差异不大，每个器件1年消耗的寿命相同，则IGBT的预期寿命LT和二极管的预期寿命LD为：

3.3 电容热点温度计算

铝电解电容等效串联电阻（ESR）随谐波电流频率的增加而降低，当频率高于1 kHz后ESR随频率变化不再明显。高频隔离AC/DC变换器开关频率远大于1 kHz，大部分谐波分量处于恒定ESR（ESRconst）范围，仅有少量的基带谐波分量频率nf0处于1 kHz以下。本文中VIENNA整流器中的直流侧基带谐波电流可通过几何墙模型[27]求解得到，则电容电流各次基带谐波分量（m=0）可由式（11）得到。

进一步地，再通过如图4所示的电容热等值网络获得电容热点温度。

图4 电容热等值网络

3.4 电容寿命模型

电容器寿命模型[28]如式（13）所示。

式（13）中：V——实际承受的电压；

V0——测试电压；

L（Th）——电容在特定热点温度Th下的预测寿命；

L0——测试条件下的寿命；

Th——电容实际热点温度，单位为℃；

T0——电容测试条件下的热点温度；

α——电压应力指数。

采用累积损伤理论量化电容器在变化工况下的寿命，即认为电容器在电热应力下发生老化，并且该疲劳损伤随使用时间不断增加。在很小的时间区间Δt内（Δt为温度采样周期），认为电容器电热应力不变。根据Miner原则，电容器全年的累计疲劳损伤D为所有采样点对应冲击产生的疲劳损伤总和：

式（14）中：Ns——全年环境温度的总采样点数；

L[Th（t）]——在采样时刻t时式（13）的计算值。

因此，电容器的寿命LC为全年累积疲劳损伤的倒数。

4 算例分析

4.1 系统概况

深圳市中美中心示范工程R3模块区域低压直流配用电系统，是民用建筑直流关键技术的示范工程，包括直流办公和直流家居等典型的应用场景。该系统通过高频隔离AC/DC变换器与交流配电网作功率交换。AC/DC变换器相关参数如表1所示。图5a、5b分别给出了功率任务剖面和深圳市环境温度曲线。

图5 传输功率任务剖面和环境温度

表1 系统及AC/DC变换器参数

高频隔离AC/DC变换器中VIENNA整流器采用F3L50R06W1E3_B11 IGBT模块。后级DC/DC变换器中采用2个FS75R12KS4模块并联和1个FP150R12KT4P_B11模块。电容器组C1、C2和C3由电容器380LQ221M450K022串并联构成。寿命评估流程中所需的各个元件电气参数和热参数可从相应的元件数据手册中获取。

4.2 AC/DC变换器寿命评估

在该工况下的高频隔离AC/DC变换器，二极管D1结温，以及电容C1、C2和C3的热点温度如图6所示。当变换器流过图5中的最大传输功率时，变换器中各个元件的功率损耗及其组成如图7所示。

图6 元器件温度

比较VIENNA整流器中T1和D1的功率损耗，T1的功率损耗最大。如果某元件功率损耗越大，则该元件的结温就越高。图8a和图8b分别表示变换器各个元件的结温波动幅值和均值的箱线图。箱线图的矩形框中黑线表示中位数，下边界和上边界分别为下四分位数和上四分位数，上下两端虚线延伸至最大和最小值点。相比于D1、D11和D13，T1在低频热循环的作用下承受更高的结温波动ΔTj和平均结温Tjm，但T1承受的热循环中并不包含基频热循环。由于基频热循环的数量远多于低频热循环的数量，因此，虽然由低频热循环引起的寿命损耗CLL，T1大于D1，但D1基频热循环引起的寿命损耗CLF较高，进而总寿命损耗D1大于T1，如表2所示。

图8 结温波动幅值和均值

表2 元件年寿命损耗

对于后级高频隔离DC/DC变换器，当变换器通过图5所示的最大传输功率时，DC/DC变换器工作在电流断续模式，电流不留过D3，因此图7的D3有功损耗为0。由于工作在较高的工作频率下，T2具有较大的开关损耗，其有功损耗远大于其他元件，并承受着较高的低频热循环。高频隔离DC/DC变换器中，各个功率半导体器件的疲劳损伤与VIENNA整流器中T1同样只由低频热循环引起，所以尽管T2承受着较大的低频热应力，但总疲劳损耗依旧小于D1。

图7 元件功率损耗

高频隔离AC/DC变换器中各个元件的寿命如表3所示。VIENNA整流器中D1和C1的寿命分别为6.3年和15.8年，后级DC/DC变换器中T2和C3的寿命分别为163.0年和10.9年。高频隔离AC/DC变换器中薄弱环节为VIENNA整流器中的二极管D1。

表3 VIENNA变换器各个元件的寿命

表4 DC/DC变换器各个元件寿命

4.3 模块冗余配置的影响

冗余配置AC/DC模块将有助于降低AC/DC变换器中各个元件所承受的电流应力，进一步地改善AC/DC变换器的寿命。如每极分别增加1个高频隔离AC/DC冗余模块时，VIENNA变换器D1和电容C1、C3的温度曲线如图9-10所示。冗余模块配置使D1的有功损耗减少和结温降低。对比图6、10中电容热点温度由于流过的电容电流的减少，也得到一定程度的下降。各个元件热应力的降低，可改善元件寿命。增加一个冗余AC/DC模块后，D1的寿命由6.3年延长至18.7年，提高了2.97倍。电容C1的寿命由15.8年延长至18.8年，C3的寿命由10.9年延长至14.8年，分别增大了1.19倍和1.36倍。此时，高频隔离AC/DC变换器薄弱环节为后级DC/DC变换器输出侧的直流支撑电容。AC/DC变换器整体寿命相比于无冗余配置提高了2.35倍，大幅度地提高了系统的可用性。